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粗面小胞体のタンパク質品質管理機構における糖鎖の役割 | ||||||||||||||||||||
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タンパク質の品質は、様々な管理機構により精密に管理されている。粗面小胞体には"ER quality control機構"があり、新しく生成された分泌タンパク質や膜タンパク質の品質はこの機構によりモニターされ、本来の高次構造を獲得できなかったタンパク質は小胞体近傍で分解される。ER quality control機構の最近の研究により、Glycobiologyの謎のひとつーーなぜ細胞は、複雑な構造の糖鎖を、タンパク質翻訳中に、ペプチド鎖へ転移しなければならないのかーーが解かれようとしている。 粗面小胞体のタンパク質品質管理機構(ER quality control system) 粗面小胞体(Endoplasmic reticulumn;以下、ER)は、分泌タンパク質および膜タンパク質の生合成の始点となる細胞内器官である。哺乳類では、膜または分泌タンパク質を合成中のリボゾームが、ER膜上にある親水性のチャネル(以下、Translocon)に結合し、ペプチド鎖をER内腔に直接注入することにより(図A-1:Cotranslational translocation)、ER内でのタンパク質の生合成が開始される。ペプチド鎖は、ER内外の種々の分子シャペロンやProtein Dislufide-Isomerase（ジスルフィド結合形成酵素）などの介添のもとに、それらの機能に必要な高次構造を獲得し（フォールディング:Folding）、さらに必要な場合は、他のタンパク質と複合体を形成する(図A-2よりA-4)。完成したタンパク質はその後、ゴルジ体系に輸送され、分泌または細胞膜上に発現される。 ER内で合成されたペプチド鎖が誤った高次構造を形成したり(ミスフォールディング:misfolding)、複合体を形成しないで単量体で存在した場合、そのペプチド鎖は他のタンパク質との凝集や、細胞機能の阻害などの細胞毒性を引き起こす可能性がある。ER quality control機構は、これらのミスフォールディングタンパク質を認識し、ER近傍で、分解する。過去５年間の研究により、ER quality control機構に認識されたタンパク質が、具体的に、どの様な運命をたどるかが明らかにされてきた（文献１）。まず、ミスフォールディングタンパク質は、ER膜上の親水性のチャネル（少なくともいくつかのタンパク質はTransloconと同じ）を通して、ERの外に汲み出され(Retrograde translocation)、細胞質に存在するとされているNーグリカナーゼにより糖鎖が除かれる。さらに、細胞質に追放されたタンパク質は、ユビキチン化され、細胞質のプロテアソームタンパク質分解系により小さなペプチドに分解される(図A-5)。ERの種々の分子シャペロン（Bip、カルネキシン(calnexin)、カルレティキュリン(calreticulin)など）が、ミスフォールディングタンパク質や完成されていないタンパク質の認識および保持に関与していることも明らかになっている。タンパク質のフォールディングは、ペプチド鎖の翻訳中に始まると示唆されていることから考えて、フォールディングの進行状況は、タンパク質の誕生直後より、ERquality control機構によりモニターされていると提唱されている。実際、タンパク質分解の鍵を握るタンパク質のユビキチン修飾までもが、ペプチド鎖がリボゾーム上で合成されている時にすでに開始されている(Cotranslational recognition)ことが示唆されている（文献３）。 新生タンパク質上の特定の糖鎖がER quality control機構に関与する。 さて、ER内で合成される多くのペプチド鎖はその翻訳中に、高マンノース型アスパラギン結合糖鎖(Glucose(Glc)3Mannose(Man)9N-Acetylglucosamine(GlcNAc)2)を獲得する（図B-a）。その直後にERのグルコシダーゼＩおよびＩＩにより、糖鎖上の３つのグルコースが除去され、グルコースを含まない高マンノース型にプロッセシングされる(Man9GlcNAc2、図B-1,2,4,5)。 ER quality control機構が提唱される以前より、ERの糖鎖のプロセッシングについて少なくとも３つの謎があった。１）なぜ細胞は、最終的にはER内で除かれるグルコースを３個も含む複雑な構造の糖鎖(Glc3Man9GlcNAc2)を、最初に、ペプチド鎖へ転移しなければならないのか(図B-a)。２）分泌タンパク質や膜タンパク質上に結合する糖鎖、特に原型の高マンノース型よりグルコースを２つ除かれた糖鎖であるGlc１Man５〜９GlcNAc2(図B-c,e)の存在が、なぜ、細胞内の一部のタンパク質の生合成の効率（分泌効率や細胞膜上への発現効率）に深く関わっているのか。３）ER内に一見無駄ともみえるタンパク質上の高マンノース型へのグルコースの再添加反応が存在し、高い活性を持つのはなぜか（図B: Reglucosylation cycle紫色囲み)。過去１０年におよぶ、グルコース再添加機構の研究、およびレクチン活性（特定の糖鎖を認識し結合する活性）を持つER内の分子シャペロン−カルネキシン、カルレティキュリン−の発見、研究が、これらの謎を解く鍵を提供することが明らかになった。すなわち、グルコース再添加機構により生成された特定の糖鎖Glc１Man５〜９GlcNAc2(図B-c,e)がカルネキシン、カルレティキュリンと結合することがER quality control機構の要の一つであることが明らかになってきた。 ER内のレクチン様分子シャペロンとグルコース再添加機構 ERのレクチン様分子シャペロンである膜結合型カルネキシンとその可溶性ホモログ、カルレティキュリンはカルシウム依存性のレクチン活性をもち、アスパラギン型糖鎖の初期のプロッセシングの中間体であるGlc１Man５〜９GlcNAc2に高い親和性を持つ。カルネキシン／カルレティキュリンは様々な新生のタンパク質と一時的に結合する。さらに、その結合／解離を介して、新しく生成されたタンパク質のフォールディングが促進されることから、これらのERレクチンは新しいクラスの分子シャぺロンとして、近年認識されるようになった。 新生のタンパク質は種々の分子シャペロンとの結合／遊離を繰り返しながら最終的な高次構造を獲得していく。通常の分子シャペロンはフォールディングされていないペプチド鎖部分を認識することにより、未完成なタンパク質と結合する。そして、シャペロン自身の持つATP分解活性により、タンパク質がシャペロンより遊離され、結合／遊離のサイクルを回す。これに対し、ERのカルネキシンとカルレティキュリンの場合は、それ自身のレクチン活性とともに、２つのERの酵素からなるグルコース再添加機構を用いて、結合／遊離のサイクルを回すと提唱されている（図B,紫色の囲み）。まず、グルコース再添加機構の中心を担うUDP-グルコース：糖タンパク質グルコース転移酵素が、フォールディングの未完成な糖タンパク質を認識し、その高マンノース型糖鎖にグルコースを添加し、カルネキシン／カルレティキュリンに親和性のある糖鎖であるGlc１Man５〜９GlcNAc2を生成する。カルネキシン／カルレティキュリンはこの特定糖鎖を認識、未完成な糖タンパク質に結合する。その後、グルコシダーゼＩＩにより糖鎖上のグルコースが除去されると、タンパク質はカルネキシン／カルレティキュリンとの親和性を失い、遊離される。フォールディングが未完成である限り、タンパク質は糖タンパク質グルコース転移酵素によりグルコースを再添加され、カルネキシン／カルレティキュリンと再度結合しERに保持される。少なくとも哺乳類では、このグルコース再添加機構が、新生タンパク質のカルネキシン／カルレティキュリンとの結合を促し、新生のタンパク質のフォールディングを促進することが報告されている（文献４）。 残された課題 カルネキシン／カルレティキュリンが、糖鎖を介して、一部のフォールディングが未完成な糖タンパク質のER内での保持、そしてフォールディングの促進をーーすなわちER quality control機構の中心をーー担っていることは近年明らかにされてきた。しかし、レクチン様分子シャペロン、カルネキシン／カルレティキュリンの機能は、ほんの一部が明らかにされたにすぎず、残された課題も多い。
様々な疾患がER quality control機構と密接に関わっていることが知られている。例えば、2000人に一人のヨーロッパーアメリカ系小児に見られる疾患Cystic fibrosisの多くの患者は、アミノ酸１個に変異がはいった塩素イオンを輸送する膜タンパク質がER quality control機構により保持されることが原因となり、さまざまな致死的な症状を起こす。この輸送タンパク質自身は、イオン輸送活性をもっているため、もし、ER quality control機構を解除し、細胞膜へのこのタンパク質の輸送を促進する条件を整えれば、患者の治療にもつながるのではないかと推定されている（文献５）。従って、ER quality control機構における糖鎖の役割をさらに研究することは、様々な疾患の治療に新たな一面を加えることになるであろう。 | |||||||||||||||||||
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| 佐藤祥子（ラバール大学・CHUL Research Center） | ||||||||||||||||||||
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| 1999年 3月 15日 | ||||||||||||||||||||
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